アーカイブより: NASA、オゾン層を救うためにドローンを派遣

創立 150 周年を記念して、科学の進歩、理解、革新を定義するのに役立ったポピュラーサイエンスの記事 (成功と失敗の両方) を、現代の文脈も加えて再考します。From the Archivesシリーズ全体をご覧になり、ここで記念すべきすべての記事をご覧ください。

30年前、半世紀にわたって地球の成層圏に蓄積されてきた有害なクロロフルオロカーボンの雲が、冥王星の直径の2倍にあたる南極上空の保護オゾン層に季節的な穴を開けることになった。南極の現象は極端だったが、地球の大気圏全体に広がる災害を浮き彫りにした。成層圏のオゾンが減少すると、動植物を太陽の紫外線から守る役割を果たし、農作物は被害を受け、皮膚がんが急増するだろう。

1992 年 7 月、ポピュラーサイエンス誌がオゾン層破壊のダイナミクスを解明しようと世界中の科学者が緊急に取り組んでいることを特集した時点では、私たちの見通しは悲惨なものでした。「地球のオゾン層は崩壊しつつあるようだ」とポピュラーサイエンス誌の編集長スティーブン・アシュリーは書き、「研究者はその理由を早急に突き止める必要がある」としています。アシュリーによると、NASA は全力を尽くし、南極上空の大気圏である地球の極渦を行き来するロボット型データ収集ドローンを製造していました。ペルセウスと呼ばれるこの機体は GPS とプログラムされたルートを使ってオゾンを探知しました。

1987年、地球上のすべての国が（最初で唯一）被害を回復するための条約を批准しました。モントリオール議定書は、オゾン層破壊物質（ODS）と呼ばれる100種類の製造化学物質を急速に段階的に廃止するためのガイドラインを確立しました。Popular Scienceの特集が1992年に掲載されて以来、ODS排出量は98パーセント削減されました。南極のオゾンホールは、季節の気温や湿度などさまざまな要因によって、大きさと深刻さが年ごとに変動していますが、改善傾向は一貫しています。専門家は、2070年までに完全に回復すると予測しています。これはまれな環境的成功例であるだけでなく、オゾンには驚くべきことが起こり得るという教訓があります。誰もが協力すれば、地球規模であっても素晴らしいことが可能になるのです。

残念ながら、温室効果ガスに関しては、そのような統一は実現しにくいことがわかった。1992年以来、世界の指導者たちは温室効果ガス削減のための条約締結に3回挑戦してきたが、最新のものはパリ気候協定である。いずれも全会一致には至っていないが、米国が再加入したことでパリ協定は間近に迫っている。

「オゾンドローン」（スティーブン・アシュリー、1992年7月）

地球のオゾン層の破壊は世界的な懸念となっている。しかし、科学者は解決策を見つけるために必要な高高度データをどのように取得できるだろうか？この無人パワーグライダーがその答えになるかもしれない。

南極大陸の広大な氷原の上空 8 万フィートで、1 機の航空機が長くて先細りの翼で成層圏を飛行する。ペルセウスと呼ばれるこの無人動力グライダーは、1994 年にこれまでのどのプロペラ機よりも高い高度を飛行し、地球の成層圏オゾン層に何が起こっているのかを調査する予定である。このグライダーは、南極大陸上空の冷たく薄い空気中にオゾン層を破壊する化学物質がないか探査し、長年大気科学者が見つけられなかった重要な空気サンプルを持ち帰るようにプログラムされる。

飛行機の可変ピッチプロペラは長さが 14.4 フィートあり、長すぎるため、ペルセウス号が空中に浮上するまで回転できない。そのため、ロボット機は南極のマクマード基地の基地からウインチで巻いたケーブルで空中に引き上げられる必要がある。空中に浮上したら、エンジンが始動し、ケーブルが外される。

ペルセウスはその後、オゾンホールの中心に向かって約 40 ノットの速度で上昇し、高度では 200 ノットの速度に達する。地上に近いときには技術者が見通しの利いた無線制御で飛行機を遠隔操縦するが、ペルセウスは主に自動操縦する。機内のフライト コンピューターは、全地球測位衛星から送信されるデータに基づいて、事前にプログラムされたナビゲーション コマンドを実行する。

最終的には、高高度を飛行する探査機が、研究者がオゾン層破壊の温床と疑われている極成層圏雲と呼んでいる、ピンクがかった薄い氷結晶の集まりに突入すると、探査機の先端に搭載されたセンサーが反応することになる。搭載されたコンピューターが探査機の空気サンプル採取装置を作動させるよう指示する。センサーが氷を検知しなくなると、ペルセウスは進路を反転し、有害な雲の境界を測るためにジグザグに飛行を続ける。

飛行時間は合計約6時間で、うち1時間は空気サンプル採取に充てられる。ペルセウス号は上昇に必要な燃料しか積めないため、エンジン停止後、静かに滑空し、氷棚の基部に着陸する。

オゾン層の破壊を研究する科学者にとって、このような飛行は早すぎるということはない。地球のオゾン層は崩壊しつつあるようで、研究者はその理由を早急に解明する必要がある。昨年 10 月、NASA のニンバス 7 号衛星は、南極上空のオゾン濃度が過去 13 年間で最低を記録した。この巨大なオゾンホールはこれまで南半球に限られていたが、NASA の航空機は最近、北極の大気上空でオゾンホールの前駆物質を大量に発見し、北半球のオゾンホールの恐れを強めている。おそらくさらに憂慮すべきなのは、カナダ、ニューイングランド、イギリス、フランス、スカンジナビアの人口密集地域を含む北半球中緯度上空のオゾン レベルが薄まっていることが発見されたことである (科学者によると、昨年の天候は異常に温暖だったため、北半球のオゾンホールは発生しなかった)。

1988 年以来、NASN の ER-2 偵察機 (U-2 スパイ機を改造したもの) のパイロットは、遠く離れた荒涼とした極地の上空 13 マイルまで上昇し、科学者のために空気サンプルを収集してきました。これらのミッションは、決して日常的なものではありません。単発エンジンの飛行機の 1 機が、この過酷な 8 時間、1,500 マイルの夜間飛行中にトラブルに遭遇した場合、単独操縦のパイロットはほぼ確実に死亡するでしょう。

しかし、これまでのところ、その見返りはリスクに見合うものとなっている。高所で大気を採取する人たちは、クロロフルオロカーボン（CFC）と呼ばれる人工塩素化合物がオゾン層破壊に関係していることを明らかにし、その禁止を求めるのに必要な証拠を科学者に提供しているからだ。しかし、ハーバード大学の大気化学者ジム・アンダーソン氏によると、オゾン層の変化をさらにモデル化して予測する研究者の能力は、有人航空機の到達限界高度を超える高度にあるオゾンホールの中心部からの重要な空気サンプルの不足によって現在制限されているという。NASAの6か月に及ぶ空中北極成層圏実験2のミッション科学者でもあるアンダーソン氏は、（政府の環境政策決定の指針として使用される）現在の大気モデルには、オゾンの形成と破壊に極めて重要な領域である高度15マイル（82,000フィート）付近の化学と動きに関する情報が欠けているという。 「衛星は簡単な測定による大まかな地図を作るのには適している」とアンダーソン氏は言う。「しかし、オゾン層破壊のメカニズムを理解するには、気候学的視点を得るための衛星と、メカニズムを理解するための航空機による直接測定の両方が必要だ。」

ヘリウムガスを充填した巨大な研究用気球は、何十年もの間、機器を極度の高さまで運ぶのに使われてきたが、この扱いにくい機体は天候の変動に左右され、打ち上げが遅れたり、時には積載物が失われたりする。そして、十分な高さまで飛行できる唯一の航空機はロッキード社の SR-71 ブラックバードだが、この黒い航空機の超音速ではサンプル採取は不可能だろう。そうすると、ペルセウスは多くの答えを提供してくれそうだ。

マサチューセッツ工科大学で航空工学の訓練を受けたジョン・ラングフォードは、バージニア州マナサスのオーロラ・フライト・サイエンシズ社の社長で、ペルセウスを極度高度の飛行能力、無人操縦、そして比較的低コストで科学機器を空中に運ぶ能力を備えたものにしようと取り組んでいる。オーロラのスタッフの中核は、ギリシャのクレタ島とサントリーニ島の間を69マイルもペダルをこいで移動した軽量の人力飛行機を開発したMITダイダロス・プロジェクトのベテランたちである[「88ポンドのペダル飛行機」、1987年2月]。ペルセウスの開発は、一見すると単純な先駆者に大きく負っている。

ダイダロスの高効率翼は、MIT の航空宇宙工学准教授マーク・ドレラが設計したもので、この薄っぺらな複合材飛行機は、人間のエンジンだけで動かされているにもかかわらず、空中に浮かんでいました。ラングフォードとドレラは、長くて薄い翼の形状が、オゾンサンプル採取に関連する薄い空気と極度に高い高度でも機能することを知っていました。「翼と構造の技術の多くが高高度飛行の飛行機に適用できることは明らかでした」とドレラは回想します。

大気の現場調査のための低コストで高高度の無人プラットフォームの必要性は、数年前に NASA、米国海洋大気庁、米国科学財団の専門家委員会によって認識されました。委員会は、オゾン化学に加えて、地球温暖化における雲の役割の特定、エネルギー省の気候変動に関する新しい研究のための成層圏/対流圏混合現象の調査、激しい嵐の原因の発見、将来の超音速航空機の排気ガスの影響の評価に役立つ乗り物を求めていました [「次世代の SST」、1991 年 2 月]。

「重要な点は、この機体が 1993 年から 94 年の間に利用可能になることでした」と、カリフォルニア州エドワーズにある NASA のエイムズ・ドライデン飛行研究施設で小型高高度科学航空機プログラムのプロジェクト マネージャーを務めるジェニファー・ベア・リードハート氏は回想する。すでにこうした航空機の開発を順調に進めていたオーロラ社は、2 機のペルセウス機を納入する 2 年間で 225 万ドルの NASA 契約を獲得した。

ラングフォード氏は、コストを抑えるために、カスタム技術を開発するのではなく、既製のコンポーネントと既存の設計を修正するという戦略をとってきたと指摘する。

その結果、軽量 1,320 ポンドの「無人バージョンのグライダー」が誕生しました。翼幅は 59 フィートで、空気抵抗の少ない設計です。翼、プロペラ、尾翼、テール ブームは、樹脂含浸ケブラー アラミド布、ノーメックス ハニカム コア、グラファイト布で成形されています。

「ペルセウスの複合構造は、スポーツグライダーを極限まで押し上げたようなものだ」と、オーロラの航空構造グループのリーダーとして働いてきたジークフリート・ツェルベック氏は言う。「この飛行機は無人機であり、その構造は民間航空機のように永久に機能する必要がない（つまり、飛行ごとに検査を行わない）ため、材料を限界まで押し上げることができるのだ。」

「私たちは、翼、尾翼、テールブームを含むほぼすべての部品の剛性を高めるためにサンドイッチ構造を採用しています」とザーウェック氏は続けます。たとえば、3 ピースの 30 フィートの翼には、翼幅方向に 4 つのリブしかなく、構造サンドイッチ パネルはほぼ自立する必要があります。たとえば、長さ 19.7 フィートの翼パネルの重量は 170 ポンドです。その結果、比較的軽量な構造が実現しました。

機体の大部分は、機内に搭載された飛行制御/ナビゲーション コンピュータ、フライバイワイヤ電子制御システム、そして珍しい密閉サイクル推進システムで構成されます。NASA は、ペルセウスの推進システムがプロジェクトの成功に非常に重要であると考え、別途 50 万ドルの資金を投入しました。

オーロラの古典的な愛称に倣って、ペルセウスの推進システムはアリオンと名付けられました。これは珍しい密閉サイクル システムで、液冷式の 65 馬力ロータリー ノートン、プロペラをクラッチおよびロックする機能を備えた 2 速減速ギアボックス、堅固なカーボン ファイバー ドライブ シャフト、大型の可変ピッチ プロペラ、ガソリンと液体酸素の貯蔵タンク、排気を冷却する大型コンデンサーで構成されています。

この研究の多くは、オーロラ社の元主任エンジニアで、英国のグループ・ロータスや米国の軍用遠隔操縦車両メーカーのエンジニアを務めたマーティン・ワイド氏の研究によるものだ。

ペルセウス号に選ばれたのは、開発が最も安価で迅速だったためであるが、これは魚雷や潜水艦の研究から生まれたものである。出力を維持するために重くて高価なターボチャージャーで外気を圧縮する代わりに、エンジンの排気ガスを燃料と酸素とともに吸気口に戻す。上級推進エンジニアのスティーブン・ヘンドリクソンは、エンジン全体の地上テストが5月に行われ、成功したと報告している。

燃料と空気の混合気を燃焼させると、排気ガスの温度が華氏約 2,000 度に達するが、通常は船外に排出される。しかし、ペルセウス号の排気ガスは再利用されるため、翼の上にある大型のラジエーターでその熱を逃がす必要がある。オーロラ チームは、熱伝達が遅い低気圧でも機能する大型のステンレス鋼とアルミニウム製のフィン アンド チューブ型熱交換器を開発している。

昨年 11 月、ペルセウス A の試作機はカリフォルニア州モハーベ砂漠のエルミラージュ湖底上空で初飛行したが、安全高度が 3,000 フィートに制限されていたため、目標高度にはまったく達しなかった。しかし、3 回の短いテスト飛行で得られたデータは、2 年後の高高度飛行ミッションへの道を開くものとなった。そのミッションでは、ペルセウス A が部品ごとマクマード基地に空輸される。そこで 7 人の地上クルーが機体を素早く組み立て、打ち上げの準備を整える。

ハーバード大学のアンダーソンは、ペルセウスが搭載する軽量の機首搭載型機器パッケージを設計した。彼の 110 ポンドの空気サンプル/分析システムは、光学的紫外線吸収技術を使用してオゾン濃度を測定し、より高度な光子散乱装置を使用してオゾンを破壊する前駆物質の濃度を 1 兆分の 1 単位で測定する。3 月、NASA の気球専門家は一連の困難なテスト飛行を完了した。このテスト飛行では、小型センサー パッケージとその電子機器がグリーンランドの西海岸から打ち上げられた際、-80 ℃ の温度に耐えた。

アンダーソン氏と2人の同僚が最近報告した、広く信じられている理論は、これらの前駆化合物を追跡することがなぜそれほど重要なのかを詳しく説明している。

妨げられない紫外線（UV）放射は、皮膚がん、白内障、免疫システムの障害、さらには自然生態系や農業の混乱を引き起こす可能性があることが知られています。

冬に太陽が極地から離れると、成層圏の空気は急速に冷たくなり、空気中の硝酸三水和物（NAT）が凍結します。これらの小さな硝酸の結晶が水氷粒子の形成の種となり、それが集まって薄いピンク色の雲（ペルセウスの検出器が向けられる雲そのもの）を形成します。

氷硝酸粒子が形成されるとすぐに、氷の表面で塩酸と硝酸塩素の急速な反応が起こり、これが触媒として作用します（塩素とのつながりを参照）。前者は結晶の端に吸着され、後者と氷粒子の衝突により分子状塩素（C12）が放出されます。「氷の表面が分子状塩素の放出の触媒として作用するとは誰も予想していませんでした」とアンダーソン氏は言います。

極地の気団は冷えると沈んでいきます。周囲の空気が流れ込んで冷たい空気の代わりをすると、地球の自転によって生じるコリオリの力が流れ込む空気を大陸ほどの大きさの回転するジェット気流へと導きます。これらの極地の渦は半不浸透性の壁として機能し、内部の空気を隔離します。極地の沈下にもかかわらず、自由分子塩素は上空に残ります。

春の太陽が戻ってくると、ほぼすべての塩素分子が遊離塩素ラジカル（再結合を待ち望んでいる塩素原子）に分裂します。この塩素は一連の触媒反応を引き起こし、オゾン層を破壊します。

「遊離一酸化塩素はパックマンのようにオゾンを食い尽くします」とアンダーソン氏は指摘する。「私たちが観測した濃度は体積比で10億分の1以上で、毎日オゾンの1パーセントが失われていると推定しています。」

シーズン後半には、惑星規模の空気の波が極渦を激しく打ち、極渦を破壊して極オゾンを補充します。北極の渦は近くの山脈のせいで不安定なため、北極のオゾンホールはまだ形成されていないと考えられています。

多くの科学者は、成層圏のサンプル採取がオゾン層破壊問題の解決策を見つけるのに不可欠であることを認識している。他の高高度飛行飛行機もいくつか計画されている。シアトルのボーイング社が国防総省の秘密プロジェクトで開発した巨大な無人飛行機コンドルは、すでに開発されているがまだ使われていない。重さ2万ポンドのコンドルは、8対の液冷式175馬力テレダイン・コンチネンタルエンジンで駆動し、2段ターボチャージャーと中間冷却で3枚羽根の16フィートのプロペラを駆動する。伝えられるところによると2千万ドルのこの飛行機は1989年に8回の試験飛行を完了したが、政府にはそれを運用する資金がない。その飛行の1回で、ボーイング社のコンドルはプロペラ機の世界高度記録となる67,028フィートを樹立した。

他の航空機開発会社は有人飛行の道をとっています。オーバープファッフェンハーフェンのドイツ航空交通研究所 (DLR) のドイツグループは、高度 85,000 フィート、または 10,000 マイルの飛行が可能な 2 人乗りの飛行機「ストラト 2C」の開発を提案しました。この複合材飛行機は、ターボチャージャー付きの 402 馬力のテレダイン コンチネンタル エンジン 2 基で駆動されます。

オーロラのエンジニアは、パーセウス「ジープ」（NASA が次に大きいサイズの乗り物と呼ぶ）の派生型をいくつか計画している。高効率ターボチャージャー付きエンジンを搭載したパーセウス B は、たとえばハリケーンの上空を旋回するために、A モデルよりやや低い高度で数日間飛行できる。翼幅 188 フィート、推進プロペラ エンジンを 2 つ備えた「バン」サイズの機体、テセウスは、440 ポンドの積載物を載せて高度約 100,000 フィートで約 1 か月間飛行できる。さらに将来的には、太陽光発電のオデュッセウス「トラック」が、110 ポンドの積載物を載せて成層圏を 1 年ほど飛行できる。

飛行時間と高度を延長する取り組みにより、これらのプロペラ駆動成層圏巡洋艦は、ほぼ「貧乏人の衛星」として機能するようになるかもしれません。

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